DE3304666C2 - Ultrasonic transducer with gradation - Google Patents
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Abstract
Das Strahlungsmuster abgeschirmter, aus einem Element bestehender piezoelektrischer Wandler und von Reihenwandlern hat reduzierte Seitenlappenhöhen. Die Abstufung zur Verminderung der Intensität des emittierten Ultraschalls an den Kanten des Wandlers im Vergleich zum Zentrum wird realisiert, indem man die elektrisch/akustische Umwandlungswirksamkeit oder die Polarisation des piezoelektrischen Materials variiert, indem man unterschiedliche mechanische Elementlängen verwendet, das piezoelektrische Material selektiv polt, um gepolte und ungepolte Bereiche zu haben und indem man die Elektrodengeometrie variiert. Das Abstufen eines in Phase gesetzten Ultraschall-Reihenwandlers ist in beiden seitlichen Abmessungen beschrieben.The radiation pattern of shielded single element piezoelectric transducers and series transducers has reduced side lobe heights. The gradation to reduce the intensity of the emitted ultrasound at the edges of the transducer compared to the center is realized by varying the electrical / acoustic conversion efficiency or the polarization of the piezoelectric material, by using different mechanical element lengths, selectively poling the piezoelectric material to have polarized and unpoled areas and by varying the electrode geometry. The stepping of an in-phase ultrasonic series transducer is described in both dimensions on the side.
Description
Die Erfindung betrifft einen linearen, phasengesteuerten Ultraschall-Reihenwandler mit A"-und y-Achsenabstufung. The invention relates to a linear, phase-controlled ultrasonic series transducer with A "and y-axis gradations.
Nach dem »IEEE Standard Dictionary« ist unter »Abstufung« zu verstehen »das Steuern des gerichteten Ansprechmusters eines Wandlers durch Steuern der Phasen und der Amplitude der Wandlerreaktion über die aktive Fläche«.According to the “IEEE Standard Dictionary”, “gradation” means “controlling the directional response pattern of a transducer by controlling the phases and amplitude of the transducer response across the active area «.
Eine rechteckige Strahlungsöffnung eines phasengesteuerten Reihenwandlers mit einer gleichförmigen akustischen Emission ergibt ein Beugungsmuster, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Seitenlappen beginnen typischerweise beim-13,3 dB-Niveau (Einweg — nur Übertragung) und tragen zum Grundrauschen bis etwa zum -26,5 dB-Niveau bei. Ein bevorzugtes Strahlungsmuster ist in F i g. 2 gezeigt und stellt eine etwas schlechtere seitliche Auflösung (der Hauptlappen ist breiter) aber eine stark verbesserte Reduktion der Seitenbeugungslappen dar. Das medizinische Argument für die angestrebte Unterdrückung der Seitenlappen ergibt sich aus dem folgenden: Wenn der Diagnostiker einen Teil des Körpers, wie das Herz, untersucht, das starke Echos erzeugt, und er dann einen daneben gelegenen schwachen Reflektor betrachten möchte, dann erhält er ein Integral des schwachen Reflektors und des starken Reflektors und unerwünschte künstliche Bilder.A rectangular radiation aperture of a phased array transducer with a uniform acoustic emission gives a diffraction pattern as shown in FIG. The side lobes typically begin at -13.3 dB level (one-way - transmission only) and contribute to the background noise up to about -26.5 dB level at. A preferred radiation pattern is shown in FIG. 2 and represents a slightly worse one lateral resolution (the main lobe is wider) but a much improved reduction of the lateral flexion lobes The medical argument for the desired suppression of the lateral lobes arises from the following: When the diagnostician examines a part of the body, such as the heart, the strong echoes generated, and he then wants to look at an adjacent weak reflector, then he receives a Integral of weak reflector and strong reflector and unwanted artificial images.
Die erwünschte Verbesserung bei den Seitenbeugungslappen wurde durch eine elektronische Amplitudentechnik erzielt, indem man die zu den piezoelektrischen Elementen übertragenen und die von diesen Elementen empfangenen elektrischen Signale schwächte. In der .X-Achse längs der Reihe waren die Elemente nahe dem Zentrum ungeschwächt, während die Elemente an den Enden der Reihe eine starke Schwächung erlitten. Spezifische Scbwächungsfunktionen sjid als nach oben verschobene Kosinus-, als Hamming- und alsThe desired improvement in the lateral flexion lobes was achieved by an electronic amplitude technique, adding to the piezoelectric Elements transmitted and attenuated electrical signals received by those elements. In the .X axis along the row, the elements near the center were not weakened, while the elements suffered severe weakening at the ends of the row. Specific attenuation functions are sjid as upwardly shifted cosine, as Hamming and as
ίο Trapez-Funktion beschrieben. Die beiden ersten Funktionen sind in dem Buch »Digital Filters« von R.W. Hamming, 2. Auflage, Seiten 102 bis 107 (1983), Prentice — Hall, Ine, Englewood Cliffs, New Jersey beschneben, d'e letztgenannte ist in verschiedenen klinischen Aus-Wertungen des Abbildungssystems nach der US-PS 41 55 260 benutzt worden. Indem man geeignete Schwächungselemente zu den Obertragungs- und Empfangsschaltungen hinzufügt, erhöht man jedoch die Komplexizität der Elektronik und auch die Kosten. Außerdem kann das Strahlprofil in der senkrechten Ebene (der Y-Achse) durch die Elektronik des Systems nicht geändert werden. Folglich ist das Strahlprofil der y-Achse nur durch die Konstruktion der Reihe bestimmt Übliche Reihenkonstruktionen führen zu Y-Achsen-Strahlprofilen, die beträchtliche Seitenlappenhöhen aufweisen. ίο Trapezoidal function described. The first two functions are in the book "Digital Filters" by R.W. Hamming, 2nd Edition, pp. 102-107 (1983), Prentice - Hall, Ine, Englewood Cliffs, New Jersey, The latter is in various clinical evaluations the imaging system according to US-PS 41 55 260 has been used. By having suitable weakening elements However, if added to the transmission and reception circuits, the complexity increases the electronics and also the cost. In addition, the beam profile in the vertical plane (the Y-axis) cannot be changed by the electronics of the system. Hence the beam profile is the y-axis determined only by the construction of the row Usual row constructions lead to Y-axis beam profiles, which have considerable lateral lobe heights.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Reihenwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem verminderte Seitenlappenhöhen erhalten werden.The invention is based on the object of an ultrasonic series transducer To create of the type mentioned, in which reduced side lobe heights are obtained will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere lange schmale piezoelektrische keramische Wandlerelemente vorhanden sind, die je auf den gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden tragen, wobei die Polarisation der Elemente als Funktion der Position in der XAchsenrichtung längs der Reihe in Abhängigkeit von einer ausgewählten Abstufungsfunktion variiert und die Polarisation in V-Achsenrichtung parallel zur langen Abmessung jedes Elementes derart variiert, daß die Polarisation im Zentrum größer ist und symmetrisch zu jedem Ende hin abnimmt, so daß das Strahlungsmuster des abgestuften Reihenwandlers reduzierte Seitenlappenhöhen aufweist.This object is achieved according to the invention in that several long, narrow piezoelectric ceramic Transducer elements are present, each of which has electrodes on the opposite surfaces, where the polarization of the elements as a function of position in the X-axis direction along the row in Depending on a selected gradation function, the polarization varies in the V-axis direction varies parallel to the long dimension of each element such that the polarization in the center is greater and decreases symmetrically towards each end so that the radiation pattern of the stepped series converter is reduced Has side lobe heights.
Die Abstufung kann bei den erfindungsgemäßen Uitraschall-Reihenwandlern mit verschiedenen Techniken erfolgen, einschließlich der Reduktion der piezoelektrischen Umwandlungswirksamkeit, der Veränderung der mechanischen Länge der Elemente, der selektiven piezoelektrischen Polung und der Änderung der Elektrodengeometrie. The gradation can be used in the ultrasonic series transducers according to the invention done with various techniques, including the reduction of the piezoelectric Conversion efficiency, the change in the mechanical length of the elements, the selective piezoelectric Polarity and the change in electrode geometry.
Die Intensität des emittierten Ultraschalls ist im Zentrum des Wandlers höher als an den Kanten und dies führt zu einer Reduktion der Seitenlappenhöhen. Das verbesserte Strahlmuster führt zu einer verbesserten Bildqualität und in einigen Fällen ist keine Veränderung in der Elektronik erforderlich. Es gibt viele mögliche Wandlerkonfigurationen und nachfolgend sind einige beispielhaft genannt, von denen alle mit Ausnahme der beiden letzten lineare phasengesteuerte Reihenwandler sein können.The intensity of the emitted ultrasound is higher in the center of the transducer than at the edges and this leads to a reduction in the heights of the lateral lobes. The improved beam pattern leads to an improved Image quality and in some cases no change in electronics is required. There are many possible Converter configurations and some examples are given below, all of which with the exception of the last two can be linear phased series converters.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers weist eine X-Achsenabstufung längs der Reihe aufgrund der geänderten Polarisation der Elemente als Funktion ihrer Lage auf, wobei diese Polarisation an den Enden der Reihe im Vergleich zum Zentrum vermindert ist. Die Variation der Polarisation hängt von der ausgewählten Abstufungs-Funktion ab.One embodiment of the transducer according to the invention has an X-axis gradation along the row due to the changed polarization of the elements as a function of their location, with this polarization on the ends of the row is reduced compared to the center. The variation in polarization depends on the selected gradation function.
In einer Reihe mit K-Achsenabstufung ändert sich dieIn a series with K-axis gradation, the changes
Polarisation parallel zur Elementlänge.Polarization parallel to the element length.
Eine weitere Ausführungsform ist eine sowohl hinsichtlich der X- als auch der K-Achse abgestufte lineare Reihe, die unterschiedliche Elementlängen aufweist, wobei die Elemente an den Enden kürzer sind als die im Zentrum.A further embodiment is a linear series which is graduated with respect to both the X and K axes and has different element lengths, the elements at the ends being shorter than those in the center.
Eine elliptisch geformte Reihe hat Elemente mit unterschiedlichen elektrischen Impedanzen.An elliptically shaped row has elements with different electrical impedances.
Eine weitere Ausfühnmgsform einer sowohl hinsichtlich der X- als auch der K-Achse abgestuften Reihe weist selektiv gepoltes piezoelektrisches Material auf und dabei gepolte Bereiche im Zentrum der Reihe und ungepolte Bereiche an den Kanten.A further embodiment of a row that is stepped both with regard to the X and K axes has selectively polarized piezoelectric material and thereby polarized regions in the center of the row and unpolarized regions at the edges.
Ein Wandler mit einem einzigen kreisförmigen Element ist derart gepolt, daß der Bruchteil des gepolten zum ungepolten Bereich im Zentrum hoch ist und gegen die Kante hin abnimmtA transducer with a single circular element is polarized such that the fraction of the polarized is high towards the unpoled area in the center and decreases towards the edge
Eine weitere Ausführungsform der y^Achsenabstufung benutzt hierfür die Elektrodengeometrie, wobei eine Elektrode die gesamte Länge des Elementes bedeckt und die andere Elektrode nur einen Bruchteil der Länge.Another embodiment of the y ^ axis gradation uses the electrode geometry for this, with one electrode covering the entire length of the element and the other electrode only a fraction of the length.
Die Seitenlappenreduktion und die hohe Empfindlichkeit solcher abgestufter Wandler hat sich für die Ultraschalldiagnostik als wichtiger erwiesen als die optimale Auflösung.The lateral lobe reduction and the high sensitivity Such graduated transducers have proven to be more important for ultrasound diagnostics than the optimal one Resolution.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigtIn the following the invention is explained in more detail with reference to the drawing
F i g. 1 ein Beugungsmuster einer nicht abgestuften rechteckigen Öffnung nach dem Stande der Technik,F i g. 1 is a prior art diffraction pattern of a non-stepped rectangular opening;
F i g. 2 ein Beugungsmuster einer abgestuften rechteckigen Öffnung,F i g. 2 is a diffraction pattern of a stepped rectangular opening;
Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer linearen Wandlerreihe, die durch Variieren der Polarisation längs der X-Achse abgestuft ist,3 shows a perspective view of a linear transducer array which, by varying the polarization is graduated along the X-axis,
Fig.4 eine perspektivische Ansicht eines der Elemente der F ig. 3,Figure 4 is a perspective view of one of the elements the fig. 3,
Fig.5 eine perspektivische Ansicht eines der Elemente der Reihe der F i g. 3, wenn diese sowohl hinsichtlich der Y- als auch der X-Achse abgestuft ist,FIG. 5 is a perspective view of one of the elements of the series of FIGS. 3, if this is graduated with regard to both the Y and X axes,
Fig.6 die unterschiedlichen Strahlungsmuster, die von einem Gerät mit verminderter Polarisation an beiden Enden (durchgezogene Linien) und mit gleichförmiger Polarisation (gestrichelte Linien) erhalten worden sind,Fig.6 the different radiation patterns that from a device with reduced polarization at both ends (solid lines) and with more uniform Polarization (dashed lines) have been obtained,
Fig.7 eine perspektivische Teilansicht einer abgestuften phasengesteuerten Wandlerreihe mit unterschiedlichen Elementlängen,7 is a partial perspective view of a stepped phase-controlled transducer series with different element lengths,
F i g. 8 eine perspektivische Ansicht eines selektiv gepolten piezoelektrischen Stabes, der zum Schneiden in die Elemente einer abgestuften Reihe vorbereitet ist,F i g. 8 is a perspective view of a selectively polarized piezoelectric rod suitable for cutting into the elements of a tiered series are prepared,
F i g. 9 einen Einzelelement-Wandler der durch selektives Polen in einem Rosettenmuster abgestuft ist,F i g. 9 shows a single element transducer which is selected by Poland is graduated in a rosette pattern,
Fig. 10 einen Einzelelement-Wandler der durch Steuern der Elektrodengeometrie längs der K-Achse abgestuft ist undFig. 10 shows a single element converter by Controlling the electrode geometry is graded along the K-axis and
F i g. 11 die Strahlprofile abgestufter und nicht abgestufter Wandler mit unterschiedlichen Elektrodengeometrien. F i g. 11 the beam profiles more graduated and not more graduated Converters with different electrode geometries.
Der aus einer linearen Reihe von Elementen bestehende phasengesteuerte Ultraschallwandler 20 der F i g. 3 ist durch Variieren der Polarisation des piezoelektrischen Materials als Funktion der Position abgestuft. Die erwünschte Reduktion bei den Seitenbeugungslappen, wie sie in I7 i g. 2 gezeigt ist, wird auf diese Weise erreicht. Anders als die elektronische Amplituden-Technik des Abstmfens, bei der die rechteckige Öffnung des Wandlers durch Schwächen der zu den Elementen übermittelten elektrischen Signale und der von diesen Elementen empfangenden elektrischen Signale abgestuft wird, ist jedes der Wandlerelemente 21 mit der gleichen zu den Elementen übermittelten Wellenform angeregt und die empfangenen Echos werden nicht weiter elektronisch geschwächt Jedes lange schmale piezolektrische Keramikelement 21 weist auf gegenüberliegenden Oberflächen Signal- und Erd-EIektroden 22 und 23 auf und jedes Element hat eine Dicke, die der halben Wellenlänge bei der Emissionsfrequenz entspricht, da das Element im wesentlichen als Halbwellenresonator arbeitetThe ultrasonic phased transducer 20 of FIG. 3 is graded by varying the polarization of the piezoelectric material as a function of position. The desired reduction in the lateral flexion lobes, as shown in I 7 i g. 2 is achieved in this way. Unlike the electronic amplitude tuning technique in which the rectangular opening of the transducer is graduated by weakening the electrical signals transmitted to the elements and the electrical signals received by those elements, each of the transducer elements 21 is with the same waveform transmitted to the elements excited and the received echoes are not electronically weakened any further essentially works as a half-wave resonator
Für die medizinische Diagnostik ist die Ultraschall-Emissionsfrequenz üblicherweise 2 bis 5 MHz. Andere Merkmale der Wandlerreihe, wie die an die Viertelwellenimpedanz angepaßten Schichten auf der vorderen Oberfläche, die Abriebsplatte und die Herstellung des Gerätes sind im einzelnen in der US-PS 42 17 684 beschrieben. For medical diagnostics, the ultrasonic emission frequency is usually 2 to 5 MHz. Other features of the transducer range, such as the quarter wave impedance Customized layers on the front surface, the wear plate and the manufacture of the Device are described in detail in US Pat. No. 4,217,684.
Die F i g. 3 und 4 beziehen sich auf >->■*. X-Achsen-Abstufung längs der Reihe und parallel zu ihr-ir Länge (die Z-Achse verläuft in den Körper hinein). Die Pfeile repräsentieren die Polarisation oder den Kopplungskoeffizienten k. Das piezoelektrische Material ist im Zentrum der ?leihe stark und an den Enden schwächer gepolt Die Veränderung in der Polarisation vom Zentrum der Reihe zu den Enden hin hängt von der ausgewählten Abstufungsfunktion, wie der Hamming- oder der nach oben verschobenen Kosinus-Funktion, ab, wobei es noch viele andere solche Funktionen gibt Die Auswahl der jeweiligen Funktion hängt ab von der spezifischen Anforderung .und der Notwendigkeit, eine gute Auflösung aufrecht zu erhalten, wobei man in Betracht zieht, daß eine gleichförmig gewichtete öffnung die beste Auflösung ergibt. In der Richtung der V-Achse parallel zur größten Abmessung des Elementes ist die Polarisation gleichförmig. Alle Elemente 21 der Reihe werden durch den Impulsgeber 24 mit der gleichen abgegebenen Wellenform erregt, doch variiert der Wirkungsgrad der elektrisch/akustischen Umwandlung längs der Reihe und die Intensität der emittierten Strahlung ist im Zentrum größer als an den Enden.The F i g. 3 and 4 refer to> -> ■ *. X-axis gradation along the row and parallel to it -ir length (the Z-axis runs into the body). The arrows represent the polarization or the coupling coefficient k. The piezoelectric material is strong in the center of the line and less polarized at the ends The change in polarization from the center of the row to the ends depends on the one selected Gradation function, such as the Hamming or the upwardly shifted cosine function, with es There are many other such functions. The selection of each function depends on the specific one Requirement and the need to maintain good resolution, taking into account that a uniformly weighted aperture gives the best resolution. Parallel in the direction of the V-axis the polarization is uniform for the largest dimension of the element. All elements of the series become 21 energized by the pulser 24 with the same output waveform, but the efficiency varies of the electrical / acoustic conversion along the row and the intensity of the emitted radiation is im Center larger than at the ends.
Eine nicht gleichmäßige Umwandlungswirloamkeit kann effektiv in verschiedener Weise ersieh werden.A non-uniform conversion confusion can be effectively viewed in a number of ways.
Die bevorzugte Technik besteht darin, das Material erst durch Anlegen relativ langer Hochspannungsimpulse und dann durch kurze Niederspannungsimpulse zu polen, um die Polarisation des Elementes zu überwachen. Dies erfolgt wiederholt, wobei man das Ergebnis nach jedem Hochspannungffimpuls überwacht Eine zweite Technik besteht darin, ein nicht gleichmäßiges Hochspannungsfeld an den Ketamikstab anzulegen, wobei die höci.sten elektrischen Felder im Zentrum der Reihe und die verminderten elektrischen Felder an den Kanten angelegt werden. Das polende Gerät kann aus einer gekrümmten leitenden Platte mit zusätzlichen Dielektrika an den Kanten oder einer flachen Widerstandsplatte bestehen, an die Hochspannung in der Mitte und Erde jenseits der Kante der Keramik angelegt wird. Eine weitere Technik besteht darin, einen thermischen Gradienten an den piezoelektrischen Stab anzulegen, wobei die Kanten erhitzt und die Mitte gekühlt wird, um in geeigneter Weise ein vollständig und gleichförmig gepoltes Keramikstück zu entpc!en. Eine vierte Technik schließ-Hch besteht im Aufbringen einer zusammenhängenden aber porösen Elektrode auf einem gleichförmig gepolten piezoelektrischen Keramikstab, wobei die Elektrode an den Kanten eine erößere Porosität aufweist. DerThe preferred technique is to remove the material by applying relatively long high voltage pulses and then to polarize by short low voltage pulses in order to monitor the polarization of the element. This is done repeatedly, monitoring the result after each high-voltage pulse. A second Technique consists in applying a non-uniform high voltage field to the ketamic stick, whereby the highest electric fields in the center of the series and the reduced electric fields are applied to the edges. The poling device can consist of a curved conductive plate with additional dielectrics on the edges or a flat resistor plate to which high voltage is applied in the center and earth beyond the edge of the ceramic. Another Technique is to apply a thermal gradient to the piezoelectric rod, with the Edges are heated and the center is cooled to suitably have a completely and uniformly polarized Unpc! En ceramic piece. A fourth technique, finally, is to apply a contiguous but porous electrode on a uniformly polarized piezoelectric ceramic rod, the electrode has greater porosity at the edges. Of the
Keramikstab wird anschließend in die Elemente der Reihe zerschnitten.Ceramic rod is then cut into the elements of the row.
Bisher ist die Seitenlappen-Reduktion nur in der X-Richtung beschrieben worden. Phasengesteuerte Reihen können auch eine Abstufung für die V-Achse erfordem, um im wesentlichen eine elliptische oder kreisförmige öffnung zu ergeben, die der eines konventionellen B-Scan-Wandlers (Gerät zum Herstellen zweidimensionaler Ultraschall-Schnittbilder) ähneln.So far, the side lobe reduction has only been described in the X direction. Phased rows can also require a gradation for the V-axis in order to produce an essentially elliptical or circular opening which is similar to that of a conventional B-scan transducer (device for producing two-dimensional ultrasonic cross-sectional images).
In F i g. 5 ändert sich die Polarisation parallel zur Lange des Elementes 21' und die Polarisation ist größer im Zentrum des Elementes und nimmt symmetrisch zu beiden Enden hin ab. Eine Reihe mit solchen Elementen hat eine Abstufung sowohl auf der X- als auch der V-Achse und die Variation der "Polarisation längs der Reihe kann wie in F i g. 3 gezeigt verlaufen.In Fig. 5 the polarization changes parallel to the length of the element 21 'and the polarization is greater in the center of the element and decreases symmetrically towards both ends. A row with such elements will have gradation on both the X and V axes and the variation in polarization along the row may be as shown in FIG.
Eine Art, das Element 2V zu polen, besteht darin, die Elektroden in Segmente zu schneiden und jedes Segment dadurch zu polen, daß man wiederholt einen Hochspannungsimpuls anlegt und danach die Polarisation überwacht. Später kann man die zerschnittene Elektrode wieder zusammenhängend machen.One way to polarize the 2V element is to cut the electrodes into segments and polarize each segment by repeatedly applying a high voltage pulse and then monitoring polarization. Later you can make the cut electrode coherent again.
Die Ergebnisse eines Versuches, bei dem die akustische öffnung eines Ultraschallwandlers durch Reduzieren der Umwandlungswirksamkeit an den Kanten abgestuft wurde, ist in Fig. 6 gezeigt. Zwei nominell identische Stücke einer piezoelektrischen Keramik wurden zu den gleichen seitlichen Abmessungen (etwa 12,7 χ 15,9 mm) und der gleichen Dicke (etwa 0,7 mm) geschnitten. Beide Stücke hatten Elektroden auf ihren großen Flächen. Ein Stück wurde als Probe für die reduzierte Umwandlungswirksamkeit ausgesucht, während das andere die Vergleichsprobe war. Die Vergleichsprobe war in der Herstellungsfirma polarisiert worden und es ist davon ausgegangen worden, daß sie gleichförmig gepolt war. Die Elektrode auf dem anderen Stück wurde mittels zweier paralleler Schnitte, die gerade tief genug waren, um die Elektroden zu trennen, in drei Stücke gleicher Oberfläche geschnitten. Die an den Enden vorhandenen Elektroden wurden mit dem Anschluß einer Hochspannungsquelle verbunden, und sie wurden depolarisiert. Untersuchungen mit einem piezoelektrischen konstanten Kupplungsmeßgerät bestätigten die Reduktion in der piezoelektrischen Aktivität an den Endsegmenten verglichen mit dem Zentrum.The results of an experiment in which the acoustic opening of an ultrasonic transducer was reduced the conversion efficiency was graded at the edges is shown in FIG. Two nominally identical Pieces of piezoelectric ceramic were made to have the same lateral dimensions (approx 12.7 χ 15.9 mm) and the same thickness (about 0.7 mm) cut. Both pieces had electrodes on their large areas. One piece was used as a sample for the reduced Conversion efficiency while the other was the comparative sample. The comparison sample had been polarized in the manufacturing company and it was assumed that they were uniform was polarized. The electrode on the other piece was made by means of two parallel cuts that were just deep enough were cut into three pieces of equal surface area to separate the electrodes. The ones at the ends Electrodes were connected to the terminal of a high voltage source and they were depolarized. Investigations with a piezoelectric constant clutch meter confirmed the reduction in piezoelectric activity at the end segments compared to the center.
F i g. 6 zeigt die verschiedenen Strahlungsmuster, die mit diesen beiden Proben erhalten wurden. Die als Vergleichsprobe benutzte nicht abgestufte Probe hatte einen engeren Strahl, der durch die weitere wirksame öffnung verursacht wurde, doch waren die Seitenlappen relativ groß. Die Beugungstheorie sagt für diesen Fall - 26 dB (Zweiweg-Übertragung und Empfang)-Seitenlappen vorher. Die abgestufte Probe mit der reduzierten Polarisation hat einen breiteren Hauptlappen, aber eine beträchtliche Reduktion in den Seitenlappen. Die Amplitude des ersten Seitenlappens ist in etwa die gleiche wie die eines zweiten Seitenlappens der Vergleichsprobe. Die allgemeinen Merkmale der Strahlungsmuster befinden sich in guter Obereinstimmung mit der Beugungstheorie.F i g. 6 shows the different radiation patterns obtained with these two samples. As a comparison sample The non-graded sample used had a narrower beam that was more effective through the more opening, but the side lobes were relatively large. The diffraction theory says for this Case - 26dB (two-way transmission and reception) -side lobe before. The graded sample with the reduced polarization has a broader main lobe, but a considerable reduction in the lateral lobes. The amplitude of the first lateral lobe is approximately that same as that of a second side lobe of the comparative sample. The general characteristics of the radiation pattern are in good agreement with diffraction theory.
Diese Technik ist auf jeden piezoelektrischen Wandler anwendbar. Da die Öffnung linearer und phasengesteuerter Ultraschall-Reihenwandler rechteckig ist, erzeugt diese Technik stärkere Auswirkungen bei solchen Geräten. Änderungen in der Elektronik des Systems sind nicht erforderlich, und die vorhandenen Ultraschallinstrumente können einfach durch Ändern des Wandlers verbessert werden.This technique is applicable to any piezoelectric transducer. Because the opening is more linear and phased Ultrasonic series transducer is rectangular, this technique produces stronger effects on such Devices. Changes in the electronics of the system are not required, and the existing ultrasound instruments can be improved simply by changing the converter.
Eine andere Art des Abstufens eines linearen Ultraschall-Reihenwandlers besteht darin, unterschiedliche mechanische Elementlängen zu verwenden. In Fi g. 7 ist die Wandlerreihe 25 in etwa elliptisch ausgebildet und die Elemente 26 an den Enden der Reihe haben eine reduzierte Oberfläche und sie sind kürzer als die zentralen Elemente. Diese abgestufte Wandlerreihe wird hergestellt, wie in der US-PS 42 17 684 beschrieben. Ein vollständig und gleichförmig gepolter piezoelektrischer Stab wird auf allen sechs Oberflächen plattiert, Isolationsschlitze 27 werden in die obere Oberfläche geschnitten, um die Signalelektrode 28 von der an Erde gelegten Eliektrode 29 zu trennen, die sich auf dem Rest der jeweiligen Elemente befindet. Das Stück wird anschließend in einzelne Elemente geschnitten. Die inneren Elemente haben die übliche Länge und schmale - Y-Achsenstrahlungsmuster, während die äußeren Elemente kurz sind und weite Strahlungsmuster aufweisen. Nimmt man eine perfekte Phasenquantisierung an, dann erreicht dieses Gerät in etwa eine B-Scan-Öffnung. Es ist Sorge getragen, Amplituden-Abstufungs-Auswirkungen auf die empfangenen Signale aufgrund der Veränderung im Verhältnis Element/Kabel-Kapazität einzuschließen. Another way of graduating an in-line ultrasonic transducer is to use different mechanical element lengths. In Fi g. 7, the transducer row 25 is approximately elliptical and the elements 26 at the ends of the row have a reduced surface and they are shorter than the central elements. This tiered series of transducers is manufactured as described in US Pat. No. 4,217,684. A fully and uniformly polarized piezoelectric rod is plated on all six surfaces, isolation slots 27 cut in the top surface to separate the signal electrode 28 from the grounded electrode 29 located on the remainder of the respective elements. The piece is then cut into individual elements. The inner elements are of the usual length and narrow - Y- axis radiation patterns, while the outer elements are short and have wide radiation patterns. Assuming perfect phase quantization, this device will reach roughly a B-scan opening. Care is taken to include amplitude gradation effects on the received signals due to the change in the element / cable capacitance ratio.
Eine dritte Haupttechnik des Abstufens eines phasengesteuerten Ultraschall-Reihenwandlers erfolgt durch selektive« piezoelektrisches Polen. In Fig.8 ist ein ungepolter piezoelektrischer Stab 33 gezeigt, der temporär auf beiden Oberflächen nur oberhalb der ausgewählten elliptischen (oder kreisförmigen) öffnung 34 plattiert und unter dieser Elektrode gleichförmig gepolt ist. Der piezoelektrische Keramikstab 33 ist vollständig plattiert, um Signal- und Erd-Elektroden 35 und 36 nach dem üblichen Herstellungsverfahren zu schaffen, und dann wird dieser Stab 33 in einzelne Elemente 37 geschnitten. Obwohl Elektroden die volle rechteckige öffnung bedecken, findet die eiektrisch/akustisciir Umwandlung nur in dem selektiv gepolten Bereich statt. Alle Elemente haben nun auch in etwa die gleiche Kapazität, um das Problem der Kapazitätsvariation von Element zu Kabel zu erleichtern. Diese Ausführungsform der abgestuften linearen Wandlerreihe hat eine X- und V-Achsenabstufung sowie reduzierte Seitenlappenhöhen, und eine Veränderung der Geometrie des gepolten Bereiches verändert die Abstufungsfunktion.A third major technique of staging a phased array ultrasonic transducer is through selective "piezoelectric poling". 8 shows a non-polarized piezoelectric rod 33 which is temporarily plated on both surfaces only above the selected elliptical (or circular) opening 34 and is uniformly polarized under this electrode. The piezoelectric ceramic rod 33 is fully clad to provide signal and ground electrodes 35 and 36 by the usual manufacturing process, and then this rod 33 is cut into individual members 37. Although electrodes cover the full rectangular opening, the electrical / acoustic conversion only takes place in the selectively polarized area. All elements now also have approximately the same capacitance in order to alleviate the problem of the capacitance variation from element to cable. This embodiment of the graduated linear transducer array has an X and V axis gradation as well as reduced side lobe heights, and a change in the geometry of the polarized region changes the gradation function.
Der aus einem einzelnen Element bestehende abgestufte kreisförmige Wandler 38 der F i g. 9 ist selektiv gepolt. Obere und untere Oberflächen des ungepolten piezoelektrischen Stabes 39 sind mit rosettenförmigen Elektroden 40 versehen, die ausgerichtet sind unr1 sich blumenblattförmig vom Zentrum zur Kante hin erstrekken. Das Material unter der rosettenförmigen Elektrode ist durch Anlegen einer Hochspannung gepolt Das Material außerhalb der Elektroden bleibt ungepolt Danach wird der Stab auf beiden Seiten vollständig plattiert. Schaut man auf die konzentrischen Ringe, die im Zentrum beginnen, dann ist der Bruchteil der gepolten Oberfläche im Zentrum groß und nimmt gegen die Kanten hin ab. Die elektrisch/akustische Umwandlung findet nur in dem selektiv gepolten Bereich statt, und die Intensität des emittierten Ultraschalles ist am größten im Zentrum und nimmt gegen die Kanten hin ab.The single element stepped circular transducer 38 of FIG. 9 is polarized selectively. Upper and lower surfaces of the non-polarized piezoelectric rod 39 are provided with rosette-shaped electrodes 40, which are aligned UNR 1, petal-shaped extend out from the center to the edge. The material under the rosette-shaped electrode is polarized by applying a high voltage. The material outside the electrodes remains unpoled. The rod is then completely plated on both sides. If you look at the concentric rings that start in the center, then the fraction of the polarized surface in the center is large and decreases towards the edges. The electrical / acoustic conversion takes place only in the selectively polarized area, and the intensity of the emitted ultrasound is greatest in the center and decreases towards the edges.
Eine vierte Technik des Abstufens eines Ultraschallwandlers erfolgt mittels der Elektrodengeometrie. Diese Technik ist nicht geeignet für phasengesteuerte Reihenwandler, aber sie ermöglicht eine V-Achsenabstufung großer, aus einem einzelnen Element bestehender Stabwandler sowie linearer Reihenwandler, in denen dieA fourth technique of grading an ultrasonic transducer is done by means of the electrode geometry. These Technology is not suitable for phase-controlled series converters, but it allows V-axis gradation large single-element rod transducers and linear series transducers in which the
7 8 ν7 8 ν
Gruppen von Elementen in einer Reihenfolge erregt 'A Groups of elements in an order excited 'A
werden. Das Grundprinzip der V-Achsenabstufung mit- ;,will. The basic principle of the V-axis gradation with-;,
tcls der Elektrodengeometrie ist in Fig. 10 gezeigt. Der -'2 tcls of the electrode geometry is shown in FIG. The -'2
piezoelektrische Stab 43 ist gleichförmig polarisiert und |jjpiezoelectric rod 43 is uniformly polarized and | jj
die vordere (in der zeichnerischen Darstellung die urne- 5 JjJithe front (in the drawing the urn- 5 JjJi
re) Oberfläche des Elementes weist eine zusammenhän- ^re) surface of the element has a coherent ^
gende Elektrode 44 auf, die sich über die gesamte Länge des Sti.Vrjs erstreckt. Die hintere Oberfläche (in F i g. 10 die obere Oberfläche) weist eine zusammenhängende Elektrode 45 auf, die sich nur über einen Teil der Länge des Elementes erstreckt. Diese Elektrodengeometrie führt zu nicht gleichmäßigen elektrischen Feldlinien 46 durch die Keramik hindurch.Lowing electrode 44, which extends over the entire length of the Sti.Vrjs. The posterior surface (in Fig. 10 the top surface) has a contiguous electrode 45 that extends only part of its length of the element extends. This electrode geometry leads to non-uniform electrical field lines 46 through the ceramic.
Es wurden Versuchsdaten ermittelt bei einem Wandler, der eine zusammenhängende Vorderelektrode und eine nicht zusammenhängende rückwärtige Elektrode aufwies, die in fünf Elektroden in etwa gleicher Oberfläche unterteilt war. Durch Kurzschließen einer geeigneten Zahl von Segmenten wurde eine Anzahl verschiedener Elektrodengeometrien untersucht. Die Ergebnisse der Strahlmustermessungen für zwei verschiedene Geometrien sind in F i g. 11 gezeigt. Die durchgezogene Kurve repräsentiert das Strahlprofil, das erhalten wurde, wenn man die im Zentrum liegenden drei Elektroden kurzschloß (die Elektrode erstreckte sich über 60% der rückwärtigen Oberfläche) und die gestrichelte Kurve gibt das Strahlprofil wieder, das erhalten wurde, wenn die gesamte rückwärtige Elektrode kurzgeschlossen wurde. Bei den drei kurzgeschlossenen Elektroden ist die Seitenlappenhöhe verglichen mit den fünf kurzgeschlosunen Elektroden stark vermindert und die Hauptlappenauflösung ist nur wenig verringert. Die Teilelektrode reduziert nicht nur die Größe der effektiven öffnung sondern dient auch zum Abstufen der öffnung. Test data were determined for a transducer that had a connected front electrode and had a discontinuous rear electrode that had roughly the same surface area in five electrodes was divided. By shorting out an appropriate number of segments, a number became different Examined electrode geometries. The results of the beam pattern measurements for two different geometries are in Fig. 11 shown. The solid curve represents the beam profile that was obtained if you short-circuit the three electrodes in the center (the electrode extended over 60% of the rear surface) and the dashed curve shows the beam profile that was obtained when the entire rear electrode has been short-circuited. The three short-circuited electrodes are the lateral lobe height compared to the five short-circuited Electrodes are greatly reduced and the resolution of the main lobe is only slightly reduced. the Partial electrode not only reduces the size of the effective opening but also serves to graduate the opening.
Die vorbeschriebenen Wandlerkonfigurationen unterscheiden gegenüber Informationen von der äußeren Kante der öffnung und sie führen zu einer stärkeren Seitenlappenreduktion über den abgebildeten Bereich auf Kosten einer etwas schlechteren Auflösung auf weitere Sicht. Klinische Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß in der Ultraschalldiagnostik die Seitenlappenreduktion und die hohe Empfindlichkeit häufig wichtiger sind als die gute Auflösung.The converter configurations described above differentiate information from the external one Edge of the opening and they lead to a greater reduction of the side lobes over the area shown at the expense of a somewhat poorer resolution in the longer term. However, clinical experience has shown that In ultrasound diagnostics, the reduction of the side lobes and the high sensitivity are often more important than the good resolution.
In der deutschen Anmeldung P 33 04 667.0-31 ist eine Wandlerreihe mit in etwa rautenförmigen Wandlerelementen zur V-Achsenabstufung beschrieben. Dies ist eine weitere Art für die Realzeitabbildung unter Verwendung eines phasengesteuerten Reihensystems.In the German application P 33 04 667.0-31 there is a transducer series with approximately diamond-shaped transducer elements for the V-axis graduation. This is another way of using real-time mapping a phased series system.
50 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 50 3 sheets of drawings
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